background image

1 Non-Linear Mathematical Steady State Model of the EPN

  

For EPN (electric power network) there are usually given the active and 

reactive powers in the load nodes.

  

A steady state in the power system is 

uniquely

 

determined

, if in all nodes 

these values are known : 

- absolute voltage value 

U

- voltage angle 

- active power 

P

- reactive power 

Q

.  

Usually two values in the nodes are given and the others can be 

determined by solution of steady state calculation.  

 

The nodes of the EPN are divided according to values, which are given for 

individual node, as follows:  

background image

1.1 Node Classification in the EPN 

1.   Type (

U

 ) – the balance node

  

 

This node is usually marked in the equivalent network as the first one. By solution 

of steady state we receive the active 

P

 and reactive power 

Q

.  

2. Type (

P

) – the supply, or load nodes with the given active and reactive power.

  

 

The power of supply node and load node differs in a sign. The solution of steady 

state are the voltages 

U

 and their angles 

.  

3. Type (

P

) – so called regulation or compensation nodes.

  

 

The absolute voltage values and the active power values are given in these nodes. 

The solution of steady state is the reactive power 

Q

  required for keeping the 

desired voltage of a node and its angle 

 

P

U

 nodes are used to represent: 

 

- generation nodes with voltage control (by the reactive power), 

 

- nodes with synchronous compensator 

- it is synchronous machine without any active    

 

   power generation or load (except for losses) used for voltage control (by reactive power)  

background image

In practical, EPN (with total number of the nodes 

) is usually given by: 

• one balance node (

U

 ), 

k

  nodes (

P

), 

n-k-

1

 

 nodes (

U

).  

given parameters 

result of the steady 

state calculation 

P6 

Q6 

P1 

Q1 

P4  Q4 

P2 

Q2 

U1, 

1  

P5 

Q5 

U2, 

2

  

U5, 

5

  

U6, 

6

  

P3  Q3 

U3, 

3  

U4, 

background image

1.2 Formulation of the Equations for Steady State Calculation of EPN 

With application of the node voltages method 
for the given network we can write:

  

4

3

2

1

44

43

42

41

34

33

32

31

24

23

22

21

14

13

12

11

4

3

2

1

.

U

U

U

U

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

Y

I

I

I

I

By multiplication of this equation we obtain:

  

4

44

3

43

2

42

1

41

4

4

34

3

33

2

32

1

31

3

4

24

3

23

2

22

1

21

2

4

14

3

13

2

12

1

11

1

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

unknown 

variables 

If we can determine unknown variables                  , it is possible to eliminate the first 
equation. We obtain 3 equations with 3 unknown variables.

  

4

3

2

,

,

U

U

U

known voltage 

of the balance 

node 

background image

4

44

3

43

2

42

1

41

4

4

34

3

33

2

32

1

31

3

4

24

3

23

2

22

1

21

2

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

U

Y

U

Y

U

Y

U

Y

I

These equations can be written in form: 

4

,

3

,

2

.

4

1

i

U

Y

I

j

j

ij

i

Generally, for the network with 

n

 nodes we can write: 

n

i

U

Y

I

n

j

j

ij

i

,

,

3

,

2

.

1

-1 equations with 

-1 unknown 

variables

  

n

U

U

...,

,

2

In case, that in the 

i – 

th node is given the active and reactive power, equation for this 

power in one phase

*

 of the network is:  

i

i

i

i

i

I

U

Q

P

S

*

.

 j

i

I

*

where       is the complex conjugate of the current  

i

I

i

i

i

i

i

i

U

Q

P

U

S

I

*

*

*

 j

 

n

i

U

Y

U

Q

P

n

j

j

ij

i

i

i

,

,

3

,

2

.

 j

1

*

In the next calculation, we suppose that the system (sources, transmission elements and loads) is symmetric, therefore the   

  problem can be solved as the one-phase network.

  

background image

n

j

j

ij

i

i

i

U

Y

U

Q

P

1

*

.

 j

This model is called 

Non-Linear mathematical steady state model of EPN 

(the powers are given in the nodes). 

This expression presents system of

 n 

-1 non-linear equations with 

-1 unknown variables.

  

n

j

j

ij

i

i

i

U

Y

U

Q

P

1

*

.

.

 j

 

In practise, the non-linear equation system is most often solved by: Gauss-Seidl and 

Newton iterative method. 

n

i

,

,

3

,

2

n

i

,

,

3

,

2